"L'Univers à portée de main" : que savons-nous de l’espace-temps ?

Nous nous comparons à ces explorateurs partis conquérir de nouveaux mondes, où faut-il que nous cherchions pour trouver non pas des continents nouveaux, mais des territoires totalement inconnus à la science ?

Voyons.

Partons du très grand, et dirigeons-nous vers le très petit.

Unifions tout ce que vous avez vu jusqu’à présent.

Notre Univers visible est une boule d’un rayon de 13,8 milliards d’années-lumière.

Si on le regarde à cette échelle, on aperçoit tout d’abord des amas de galaxies géants, regroupés en de longs filaments cosmiques enveloppés de matière noire et flottant au milieu de tous les champs quantiques existants. Les champs eux-mêmes sont invisibles vu de si loin, mais il est possible d’en noter les effets. Ils sont la matière qui compose l’Univers visible. Ils sont le champ de Higgs qui confère une masse aux électrons et aux quarks. Ils sont l’inflaton, ils sont cette énergie sombre qui s’oppose à l’action de la gravitation et accélère de plus en plus l’expansion de l’Univers.

Et il y a aussi la gravitation elle-même, ces courbures de l’espace et du temps qui attirent toutes choses les unes vers les autres.

En zoomant un peu, vous percevez à présent les galaxies individuelles, avec leurs centaines de milliards d’étoiles.

Leurs trous noirs centraux supermassifs crachent des jets de lumière et de matière qui semblent leur permettre de communiquer entre elles, tandis que la matière noire les empêche d’être déchiquetées par leur propre rotation.

En zoomant plus encore, vous voilà maintenant à l’échelle des étoiles, énormes boules de plasma incandescent dont la lumière nous sert, à nous humains, à sonder l’Univers lointain.

Puis viennent les planètes, mondes quasiment sphériques trop petits pour un jour devenir des étoiles.

Plus petits encore, apparaissent les astéroïdes, les comètes qui dérivent autour du Soleil, et les êtres vivants que notre planète abrite sous un millier de kilomètres d’atmosphère.

Zoomant toujours, arrivent alors les microbes, les cellules, les molécules, les atomes, les électrons et les photons, les protons et les neutrons, les quarks et les gluons.

Vous voilà de retour dans le territoire des champs quantiques. Ici, la gravitation, surpassée par toutes les forces quantiques, n’a plus son mot à dire.

Vous continuez de zoomer. Puis vous vous arrêtez.

Vous rappelez-vous un des problèmes auquel vous avez dû faire face avec les champs quantiques ? Vous souvenez-vous de la renormalisation, cette astuce à laquelle ont recouru les physiciens théoriciens quantiques pour se débarrasser des infinis qui empoisonnaient leurs travaux ? Et vous souvenez-vous que les tentatives pour considérer la gravitation comme un champ quantique ont complètement échoué, notamment parce que les infinis qui apparaissaient alors ne pouvaient en aucun cas être éliminés, ni par ’t Hooft et Veltman, ni par Wilson ?

En théorie, ces infinis devraient maintenant être là, devant vous, car vous avez atteint leur échelle, mais vous ne les voyez pas. Pour pouvoir continuer votre route, il va donc falloir vous en débarrasser pour de bon et proposer une architecture à notre Univers qui s’en dispense.

Ce faisant, vous trouverez les fenêtres dont je vous ai parlé, ces fenêtres qui ouvrent sur une réalité nouvelle, et immense.

Comment faire ?

Que savons-nous de l’espace-temps ?

Nous savons que sa description utilisant la physique du début du XXIe siècle a ses limites. Dans l’immensément grand, cette limite se situe quelque part au-delà du Big Bang, au-delà de l’inflation,lorsque l’Univers était encore dans l’ère de Planck et que temps et espace n’existaient pas. Cette limite se situe à 13,8 milliards années-lumière de nous dans l’espace et à 13,8 milliards d’années de nous dans le temps.

Et il existe aussi une limite similaire dans le très petit. Zoomez sur n’importe quoi et, à un certain stade, vous atteindrez la distance de Planck, taille infime à l’intérieur de laquelle les effets quantiques se font nécessairement ressentir dans la structure même de l’espace-temps, détruisant là aussi les notions d’espace et de temps que nous utilisons nous.

Extrait de "L'Univers à portée de main", de  Christophe Galfard, publié aux éditions Flammarion, 2015.  Pour acheter ce livre, cliquez ici.